Recombinant pharmaceuticals from microbial cells: a 2015 update

Cell factories

初期の組み換えDNA時代から、細胞の生理学やストレス、異種遺伝子発現やタンパク質生産に関わる因子の理解が進み、原核細胞と真核細胞、植物や動物という異なる生きた工場の利用を促進しました … これらのシステムを用いることにより、組換え生産は供給源の問題を解決し、生物学的に安全で環境に優しいプロセスであると考えられており、アミノ酸配列、したがってタンパク質の機能を変更する能力を付与し、製品をより望ましい機能に適合させることができる。 組換えタンパク質の生産に利用できる発現系は多岐にわたり、その種類も増えてきています。 大腸菌は、1980年代にバイオ医薬品部門が出現したときに一般的なプラットフォームでしたが、その後、酵母 Saccharomyces cerevisiae の導入が始まりました。 この2つのシステムとそれに関連する遺伝学的方法論は非常に高い汎用性を示し、異なる生産需要に適応することができます。 昆虫細胞は、当初は特にワクチン用タンパク質の生産に成功した系として探求されてきたが、今日では、哺乳類細胞株（特にCHO細胞）が、簡便にグリコシル化タンパク質を生産できることから、一般的な動物由来細胞系となっている（図1）。 翻訳後修飾が可能であることは、複雑な栄養要求、遅い成長、脆弱性、比較的高い生産時期やコストとは対照的である。 このように、タンパク質生産のための多くの従来型および新興の細胞ベースのシステムのうち、細菌、酵母および哺乳類細胞株がバイオ医薬品において最も一般的であり、原核および真核の両システムは、その特性を改善し、タンパク質医薬品生産のための選択プラットフォームとして強化するために常に進化し、競争している . 細菌はこの分野における初期の主導的な役割を失ったものの、市販されているバイオ医薬品の約 30 % は依然としてこの系で生産されており、これは原核細胞の異常な生理学的および遺伝子操作の可能性に裏付けられています。 1

実際、新しいタンパク質生産プラットフォームの開発の主目的は、原核細胞培養に関する低い複雑性と高い柔軟性を維持しながら、タンパク質フォールディングと翻訳後修飾に成功して薬物の機能性を高めることである。 一方、糸状菌（Trichoderma reesei, ）、コケ（Physcomitrella patens, ）、原虫（Leishmania tarentolae, ）などは、哺乳類タンパク質と同様のグリコシル化パターンを促進しながら、哺乳類細胞よりも簡単な方法で培養を行うことができる。 高品質なタンパク質医薬の生産に特化した新しい（細菌性および非細菌性）プラットフォームに関する広範な記述は、他の文献に掲載されている。 最近、エンドトキシンを含まない大腸菌が開発され、タンパク質やタンパク質材料の製造に応用されたことで、エンドトキシンの除去工程を省くことにより、バイオメディカル用途のタンパク質をコスト効率よく、多用途に製造する道が開かれ、バイオセーフティと製造コストの削減が期待されています …

タンパク質バイオ医薬品の動向

約400の組み換えタンパク質ベースの製品が生産に成功し、バイオ医薬品（生物を含む技術によって生成された治療製品を指す用語）として承認されています。 このうち約50%が前臨床試験、残りの33%が臨床試験中である（図2）。 このような状況から、今後数年間は承認数の増加が予想される。 70年代にEli Lilly & 社によって開発されたHumulinは、大腸菌で作られた組み換えヒトインスリンで、1982年に最初のバイオ医薬品として（FDAによって）承認された。 その他、ホルモン、サイトカイン、抗体（Orthoclone OKT3）などの天然タンパク質が1980年代に承認された9製品に含まれる（表1）。 現在、遺伝子組換えバイオ医薬品の恩恵をより多く受けている治療分野は、代謝性疾患（例：1型糖尿病、2型糖尿病、肥満、低血糖）、血液疾患（例：腎性貧血、血友病A、出血または凝固障害）、癌（例：メラノーマ、乳癌または大腸癌）で、それぞれ24、18、15％の割合になっています（図3）。 この点、がん領域は明らかに拡大している市場である。 2010年から2014年にかけて、承認された54のバイオ医薬品のうち9つが抗腫瘍薬であり、この期間ではがんが最も一般的な適応症となっています。 バイオ医薬品の分子基盤を見ると、明らかに抗体医薬が主流となっています。 同期間（2010年〜2014年）に承認された54のタンパク質医薬品のうち17がモノクローナル抗体（31.5%）であり、1980〜1989年の11%に比べ、その比率は高くなっています。 さらに、2014年に世界で販売されたタンパク質バイオ医薬品のトップ10のうち（表2）、6つは抗体または抗体由来のタンパク質です（ヒュミラ、レミケード、リツキサン、エンブレル、アバスチン、ハーセプチン、http://qz.com/349929/best-selling-drugs-in-the-world/）

以前は。 バイオ医薬品は、天然タンパク質と同じアミノ酸配列の組換え体です（クローニング戦略の結果、わずかな変更が加えられただけの場合もあります）。 1990年代以降、承認のかなりの部分が高度に改変された組換えタンパク質に基づくものとなっています。

がん治療用タンパク製剤

がんは、世界中で疾病と死亡の主な原因となっているため、バイオ医薬品市場を支配する治療適応症の1つとなっています。 外科手術や放射線治療は、早期のがんを治療するのに有効ですが、転移したがんを根絶することはできません。 微小転移や臨床的に明らかな転移がある場合、治癒率を高めるために、遺伝毒性化学療法との併用が必要となります。 しかしながら、化学療法の成功は、その選択性と特異性の欠如のため、正常組織への毒性によって患者に投与できる量が制限されるという障害を受けてきた。 がんを動かす特定の分子標的を阻害することができるバイオ医薬品（たとえば、モノクローナル抗体の抗Her2-Trastuzumabや抗VEGF-Bevacizumabなど）の開発は、この方向に向かっています。 これらの製品のほとんどは、化学療法の副作用、通常は好中球減少や貧血を最小限に抑えることを目的とした支持目的で使用されています（表3にいくつかの代表例を示しています）。 これらの94製品のうち19製品は真の抗腫瘍薬であり、その69%は大腸菌で生産され（図4）、工学的なアミノ酸配列、タンパク質融合体、単一タンパク質ドメインに基づいています（表4）

Clearly, 癌治療では、天然ポリペプチドよりも修飾されたタンパク質が最も多く使われています。 関連する例として、Zivアフリベルセプトは、大腸がんに対して使用されるCHO細胞で生産される組み換え融合タンパク質である。 これは、血管内皮増殖因子受容体（VEGFR1およびVEGFR2）の各一部がヒトIgG1免疫グロブリンの定数画分（Fc）に融合したものである（図5）。 このコンストラクトは、VEGFRを活性化するVEGF-A、VEGF-B、胎盤成長因子（PlGF）に結合することでデコイとして機能する。 このトラップは、成長因子と受容体の相互作用を妨げ、血管新生プロセスに関与するVEGF経路を阻害する。 Denileukin diftitoxは、2つのジフテリア毒素断片（AおよびB）とヒトインターロイキン-2からなるリコンビナントタンパク質である（Fig.5）。 ジフテリア毒素はCorynebacterium diphteriaeによって分泌される強力な外毒素である。 その特異な構造により、大腸菌で生産された複合体全体が、細胞毒性物質を特定のターゲットに直接送り込むことができる。 この複合体には2つの主要な活性ブロックがあり、その機能は第一にバイオ医薬品（IL-2）を選択的に送達すること、第二に細胞毒性（トキシンAおよびB）を引き起こすことである。 融合タンパク質は、癌細胞（皮膚T細胞リンパ腫）に発現しているIL-2受容体に結合する。 毒素部分が内在化されると、触媒ドメインがタンパク質合成の阻害を通じて細胞死を促進する.

がんの標的ドラッグデリバリーは最も新しい研究分野であり拡大しているので、他の非組み換え、タンパク質ベースのバイオ医薬品も大きく代表されています。 ブレンツキシマブ・ベドチン、トラスツズマブ・エムタンシンなどの抗体薬物複合体（ADC）や、ナブ・パクリタキセルなどのナノ粒子薬物複合体などである。 これらの場合、タンパク質は、従来の化学薬品の標的ビークルとして機能する。 このアプローチでも、特定の標的細胞への選択的な薬物送達を追求し、正常細胞への毒性とそれに伴う副作用を軽減しながら抗腫瘍活性を高めることを目的としている

2013年に最高の収益を上げた癌治療製品は、図6に示されている。 これらの製品の60％は組換えタンパク質であり、組換えタンパク質生産は依然として上昇中の有望なプラットフォームであり、バイオ医薬品分野の重要な進歩の余地を提供しているという考えを裏付けています。

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